第5章積分
5.1 Approximating Areas5.1 面積の近似
Learning Objectives学習目標
- Use sigma (summation) notation to calculate sums and powers of integers.シグマ記法(和の記法)を使い、整数とその累乗の和を計算する。
- Use the sum of rectangular areas to approximate the area under a curve.長方形の面積の和を使い、曲線の下の面積を近似する。
- Use Riemann sums to approximate area.リーマン和を使って面積を近似する。
Archimedes was fascinated with calculating the areas of various shapes—in other words, the amount of space enclosed by the shape. He used a process that has come to be known as the method of exhaustion, which used smaller and smaller shapes, the areas of which could be calculated exactly, to fill an irregular region and thereby obtain closer and closer approximations to the total area. In this process, an area bounded by curves is filled with rectangles, triangles, and shapes with exact area formulas. These areas are then summed to approximate the area of the curved region.
英語のヒント
アルキメデスは、さまざまな図形の面積、言い換えれば図形で囲まれた部分の広さを計算することに強い関心を抱いていた。彼が用いた方法は、のちに「取り尽くし法」と呼ばれるようになった。面積を厳密に計算できる図形を次第に小さくしながら不規則な形の領域を埋め、領域全体の面積をますます正確に近似する方法である。この方法では、曲線で囲まれた領域を、長方形や三角形など、面積の正確な公式がある図形で埋める。そして、それぞれの面積を足し合わせることで、曲線に囲まれた領域の面積を近似する。
In this section, we develop techniques to approximate the area between a curve, defined by a function and the x-axis on a closed interval Like Archimedes, we first approximate the area under the curve using shapes of known area (namely, rectangles). By using smaller and smaller rectangles, we get closer and closer approximations to the area. Taking a limit allows us to calculate the exact area under the curve.
英語のヒント
この節では、閉区間 上で、関数 が表す曲線と x 軸との間の面積を近似する手法を考える。アルキメデスと同じように、まず面積がわかっている図形、ここでは長方形を使って曲線の下の面積を近似する。長方形を次第に小さくすれば、面積の近似は次第に正確になる。極限をとることで、曲線の下の正確な面積を求められる。
Let’s start by introducing some notation to make the calculations easier. We then consider the case when is continuous and nonnegative. Later in the chapter, we relax some of these restrictions and develop techniques that apply in more general cases.
英語のヒント
計算しやすくするために、まずいくつかの記法を導入しよう。次に、 が連続で、かつ負にならない場合を考える。章の後半では、これらの制約の一部を緩め、より一般的な場合にも使える手法を考える。
Sigma (Summation) Notationシグマ記法(和の記法)
As mentioned, we will use shapes of known area to approximate the area of an irregular region bounded by curves. This process often requires adding up long strings of numbers. To make it easier to write down these lengthy sums, we look at some new notation here, called sigma notation (also known as summation notation). The Greek capital letter sigma, is used to express long sums of values in a compact form. For example, if we want to add all the integers from 1 to 20 without sigma notation, we have to write
英語のヒント
すでに述べたように、面積がわかっている図形を用いて、曲線で囲まれた不規則な領域の面積を近似する。この過程では、長く並んだ数を足し合わせることがよく必要になる。こうした長い和を簡潔に書けるように、ここで新しい記法である「シグマ記法」(和の記法ともいう)を導入する。ギリシャ文字の大文字 (シグマ)を使うと、多くの数値の和を短く表せる。例えば、1から20までの整数をすべて足すとき、シグマ記法を使わなければ、次のように書く必要がある。
We could probably skip writing a couple of terms and write
英語のヒント
途中の項をいくつか省いて、次のように書くこともできるだろう。
which is better, but still cumbersome. With sigma notation, we write this sum as
英語のヒント
こちらのほうがよいが、それでもまだ煩雑である。シグマ記法なら、この和は次のように書ける。
which is much more compact.
これなら、はるかに簡潔である。
Typically, sigma notation is presented in the form
シグマ記法は、一般に次の形で表す。
where describes the terms to be added, and the i is called the index. Each term is evaluated, then we sum all the values, beginning with the value when and ending with the value when For example, an expression like is interpreted as Note that the index is used only to keep track of the terms to be added; it does not factor into the calculation of the sum itself. The index is therefore called a dummy variable. We can use any letter we like for the index. Typically, mathematicians use i, j, k, m, and n for indices.
英語のヒント
ここで は足し合わせる項を表し、i を「添字」という。各項の値を求め、 のときの値から のときの値まで、すべてを足し合わせる。例えば、 という式は と読む。添字の役割は、どの項を足すのかを区別することだけであり、添字にどの文字を使うかは和の計算そのものに影響しない。このため、添字は「ダミー変数」とも呼ばれる。好きな文字を使ってよいが、数学では通常、i、j、k、m、n などを用いる。
Let’s try a couple of examples of using sigma notation.
シグマ記法を使う例を、いくつか試してみよう。
Example 5.1例題 5.1
Using Sigma Notationシグマ記法を使う
- Write in sigma notation and evaluate the sum of terms forに対する項 の和をシグマ記法で表し、その値を求めよ。
- Write the sum in sigma notation:次の和をシグマ記法で表せ。
Solution解き方
- Write次のように書く。
- The denominator of each term is a perfect square. Using sigma notation, this sum can be written as
英語のヒント
各項の分母は平方数である。シグマ記法を使うと、この和は と書ける。
The properties associated with the summation process are given in the following rule.
英語のヒント
和をとる操作に関する性質を、次の規則にまとめる。
Rule: Properties of Sigma Notation規則:シグマ記法の性質
Let and represent two sequences of terms and let c be a constant. The following properties hold for all positive integers n and for integers m, with
英語のヒント
と を二つの数列とし、c を定数とする。次の性質は、任意の正の整数 n と、 を満たす整数 m について成り立つ。
- (5.1)
- (5.2)
- (5.3)
- (5.4)
- (5.5)
Proof証明
We prove properties 2. and 3. here, and leave proof of the other properties to the Exercises.
ここでは性質2と3を証明し、残りの性質の証明は練習問題に残す。
2. We have
2. 次のように計算できる。
3. We have
3. 次のように計算できる。
□
□
A few more formulas for frequently found functions simplify the summation process further. These are shown in the next rule, for sums and powers of integers, and we use them in the next set of examples.
英語のヒント
よく現れる関数について、さらにいくつかの公式を用いると、和の計算をいっそう簡単にできる。これらを、整数とその累乗の和に関する次の規則に示す。続く例題では、この規則を使う。
Rule: Sums and Powers of Integers規則:整数とその累乗の和
- The sum of n integers is given by1から n までの整数の和は、次の式で与えられる。
- The sum of consecutive integers squared is given by1から n までの連続する整数の2乗の和は、次の式で与えられる。
- The sum of consecutive integers cubed is given by1から n までの連続する整数の3乗の和は、次の式で与えられる。
Example 5.2例題 5.2
Evaluation Using Sigma Notationシグマ記法を用いた和の計算
Write using sigma notation and evaluate:
次の和をシグマ記法で表し、その値を求めよ。
- The sum of the terms forに対する項 の和。
- The sum of the terms forに対する項 の和。
Solution解き方
- Multiplying out we can break the expression into three terms.
英語のヒント
を展開すると、式を三つの項に分けられる。 - Use sigma notation property iv. and the rules for the sum of squared terms and the sum of cubed terms.シグマ記法の性質ivと、整数の2乗の和・3乗の和の公式を用いる。
Checkpoint 5.2確認問題 5.2
Find the sum of the values of for
に対する の値の和を求めよ。
Solution解き方
15,550
15,550
Hintヒント
Use the properties of sigma notation to solve the problem.
シグマ記法の性質を使って解く。
Example 5.3例題 5.3
Finding the Sum of the Function Values関数値の和を求める
Find the sum of the values of over the integers
整数 における の関数値の和を求めよ。
Solution解き方
Using the formula, we have
公式を用いると、次のようになる。
Checkpoint 5.3確認問題 5.3
Evaluate the sum indicated by the notation
で表される和を求めよ。
Solution解き方
440
440
Hintヒント
Use the rule on sum and powers of integers.
整数とその累乗の和の公式を用いる。